電動化、智慧化、網聯化和共享化是汽車產業公認的未來發展方向。作為電動汽車核心零部件，整車控制器必須能夠支撐汽車“四化”。其必須滿足高計算效能、高通訊頻寬、高功能安全性、軟體持續更新等需求。目前整車電子電氣架構及整車控制器所搭載技術普遍無法滿足以上需求。為覆蓋上述需求，未來汽車產品將逐漸採用集中式電子電氣架構，同時整車控制器必須包含乙太網、CANFD、多核晶片、雙核心、OTA等關鍵技術。
本文將首先介紹整車控制器與分散式和集中式2種電子電氣架構的關係，然後分別介紹了新型整車控制器的關鍵技術，對技術內容進行了分析，提出了未來發展趨勢並進行了展望。
1. 整車控制器與電子電氣架構
1.1 整車控制器與分散式電子電氣架構
在以往的晶片能力前提下，受到計算能力及通訊能力的限制，整車控制器無法整合所有的車輛控制軟體，即使是新能源部件控制相關的軟體也無法全部整合。這決定了整車控制器只能作為分散式電子電氣架構中的一員，但是這種關係限制了功能變更及擴充套件。
在分散式電子電氣架構中，一項整車層級的功能由多個控制器配合完成。某項功能的實現可能需要幾個或十幾個控制器相互配合，並且這些控制器可能分佈在整車不同的網路中(圖1)。
圖1 整車控制器在分散式電子電氣架構中的位置
整個互動過程與時間配合異常複雜。整車普遍有100餘個控制器，幾百項整車級功能，功能與控制器本身的物理連線交織成一個巨大而複雜的網，非常不利於模組化設計與擴充套件。在這種情況下，增加一個新功能，需要在上述的複雜功能網路上考慮各部分相關性，並對大量的控制器軟體進行修改及測試。
1.2 整車控制器與集中式電子電氣架構
隨著晶片及車載乙太網的發展，整車控制器已經具備整合大部分車輛控制軟體的能力。分散式電子電氣架構正在逐漸向高度整合化和智慧化發展，整車控制器在電子電氣架構中的位置也隨之發生變化，真正實現車輛層級的整合型控制器，其控制涵蓋動力、底盤以及一些閘道器功能。整車控制器與集中式電子電氣架構的關係如圖2所示。將大部分的功能集成於整車控制器中會極大地減少整車線束長度與控制器數量。
圖2 整車控制器在集中式電子電氣架構中的位置
2. 新型整車控制器關鍵技術
為支撐汽車“四化”，整車控制器必須滿足高通訊頻寬、高計算效能、高功能安全性、軟體持續更新等多項需求。其中，高通訊頻寬催生了車載乙太網、CANFD技術發展；高計算效能催生了多核晶片和雙核心控制架構技術發展；軟體持續更新催生了OTA技術發展。這些技術將被普遍應用在新型整車控制器上。下面將分別介紹這些技術。
2.1 車載乙太網
在過去20年裡通訊頻寬問題一直困擾著汽車行業。在這期間，CAN匯流排是主流的車載網路技術。其1 Mbit/s的標稱速度在該技術早期對於汽車頻寬需求有足夠的裕度。然而近年來隨著車輛控制邏輯越來越複雜，所需控制器和感測器數量急劇增加，雖然集中式電子電氣架構可以在一定程度上減少控制器數量，但是由於域控制器的計算能力遠高於原有車輛控制器，因此1 Mbit/s的CAN通訊頻寬顯然是無法滿足資料互動需求的。
更高的通訊頻寬要求加速了乙太網和汽車行業的融合。乙太網誕生於20世紀70年代，其最早的雛形與如今家庭、辦公、伺服器機房、資料倉庫執行的乙太網早已截然不同。儘管乙太網與時俱進地發展，但是應用於汽車仍有一些問題，最主要的是電磁相容性問題。這些限制在 BroadR-Reach 技術出現後被打破，該技術可在單對非遮蔽雙絞線上提供 100 Mbit/s的頻寬。這種傳輸方法從未應用在之前的乙太網。即便物理層變化，這種技術仍能夠在高層實現與乙太網的無縫結合且執行方式不變。目前，該技術已經用於量產車型。同時，支援更快速度的 RTPGE 技術正在研發中，在保留軟體相容性的同時，其頻寬有望提升到1 Gbit/s。
儘管通訊頻寬有著明顯的優勢，但受制於成本及功耗因素，車載乙太網主要應用於骨幹網路。用於整車控制器與其他域控制器的通訊，如圖3。而對於域內的智慧執行器和感測器，使用其他低成本解決方案，如CANFD、CAN、LIN。
圖3 整車控制器使用乙太網與其他域控制器通訊
當然，在整車控制器上增加車載乙太網面臨著巨大的改變：相對於CAN通訊更龐大的軟體協議棧；更大的控制器功耗；更大的靜態電流，這些都需要在系統設計時被考慮。
2.2 CANFD
考慮到成本及功耗，整車上只有骨幹網使用高通訊頻寬的乙太網通訊。但是對於其他子網，標稱 1Mbit/s 的 CAN 通訊也迫切的需要提升通訊速度。目前成熟的CANFD技術是一個好的解決方案。
CANFD匯流排是CAN匯流排的高頻寬解決方案，博世公司於2011年首先提出CANFD概念，並於2012年首先發布 CANFD1.0 版本。在保留 CAN 匯流排主要特性的同時，改善了錯誤幀漏檢率，同時保證網路中大部分軟硬體特別是物理層不變。將匯流排的最高傳輸速率提高到5 Mbit/s 以上（CAN 通訊的最高傳輸速率為1 Mbit/s,實際使用速率最高為500 kbit/s）。
更重要的是，CANFD資料長度最長64位元組，這使得CANFD的資料場佔比達到近85%。CAN的資料場佔比只有約 50%。這意味著即使同樣的通訊頻寬，CANFD可以多傳輸約70%的有效資料。CANFD幀格式如圖4所示。
圖4 CANFD幀格式
更為關鍵的是，由於 CANFD 保留了 CAN 的大部分關鍵特性，所有的 CANFD 晶片都能夠相容 CAN。這使得選擇CANFD晶片的控制器在不改變硬體的情況下，只修改軟體即可適配 CAN 通訊網路。CANFD技術有多重優勢，在未來相當長一段時間內，車載乙太網與CANFD將會長期共存，各司其職，共同發展。
2.3 多核晶片
同傳統消費電子領域早期一樣，為了獲得更快的處理速度，汽車行業採用提升核心頻率的方式來提升處理速度。但為了兼顧穩定性，核心頻率提升遇到瓶頸，未來小幅的提升核心頻率已經不能滿足日益增長的軟體執行速度需求。這種情況下，汽車行業選擇了與消費電子一樣的技術路線，採用多核晶片。
多核晶片大幅提升了晶片的運算能力。這是一種並行的方法。所以在應用中想獲得同樣的效果，需要在軟體設計時合理地將各部分軟體分配到各個核心中。原則是儘量讓所有軟體並行。多核晶片的算力與同頻率單核晶片的算力加速比可以使用Amdahl定律來評估。公式如式（1）：
S=1/(1-a+a/n) （1）
其中，S為多核晶片的算力與同頻率單核晶片的算力加速比；a為平行計算部分所佔的比例；n為核心數量。
圖5 並行程式佔75%時，加速比S與核心數量n之間的關係
如圖5，當並行程式為75%時，加速比的極限效能為4.0。在10核以內增加核心數都可以大幅提升運算效能。前期可以透過此方式對系統運算能力和分配要求做大略的評估，尋找一個最佳投入產出點。同時這個公式還指出，對於一個核心數量固定的多核系統，增加程式並行性是提升系統運算效能的有效措施。
2.4 雙核心控制架構
在過去的幾十年裡，汽車電子行業一直採用微控制器（MCU）搭建各種型別的車載控制系統。儘管不同廠家的微控制器效能各異，但他們都有一些通用的特點：整合度高、價格低廉、高可靠性、核心頻率低、程式是預先裝載的以及不允許使用者安裝軟體。軟體定義汽車的出現，要求整車控制器具備高計算效能、程式可更新、客戶可安裝軟體等特性，在整車控制器上微控制器便不能再獨自勝任。
目前主流的解決方案是引入微處理器（MPU）作為微控制器的補充。組成雙核心高效能整車控制器。這些微處理器與智慧手機或PC中使用的微處理器非常相似，具有強大的計算及資料處理能力和高核心頻率。但其並不像微控制器具有種類繁多的外設，甚至連程式執行所必須的RAM、ROM都不包含，所以硬體設計時必要的外設需要被重新考慮。
圖6 微控制器（MCU）與微處理器（MPU）整合度差別
整車控制器中同時包含了微處理器與微控制器（圖6）。由於這是2個獨立的軟體系統去實現一些共同的功能，核間通訊必不可少。核間通訊有大量資料量傳輸，對通訊頻寬要求較高，且通訊方式必須同時被微控制器和微處理器所支援。滿足上述特點的乙太網是一個優質選擇。
雙核心控制架構還有一種形式，高整合度的SOC（System on Chip）晶片同時整合微控制器和微處理器。儘管物理上統一，但這仍然是2個獨立的軟體系統，需要相互配合去實現一些共同的功能。
在雙核心架構的整車控制器中，微控制器和微處理器採用不同的作業系統。CLASSIC AUTOSAR依然是微控制器最好的作業系統解決方案。而對於微處理器，作業系統選擇空間很大，主要包括Linux、QNX、VxWorks、PikeOS。雖 然 AUTOSAR 推 出 了 ADAP⁃TIVE AUTOSAR，但嚴格來講，這並不是一個完整的作業系統。ADAPIVE AUTOSAR無法獨立執行，它運行於 POSIX 標準介面之上。而 POSIX 介面還需要上述提到的Linux、QNX、VxWorks、PikeOS等作業系統來提供。同 CLASSIC AUTOSAR 相比，ADAPTIVE AU⁃TOSAR的模組數量不足前者15%。從目前情況看，若想達到 CLASSIC AUTOSAR 在汽車行業的普及率，ADAPTIVE AUTOSAR依然有很多路要走。
2.5 OTA
在過去的幾十年裡，汽車電子產品所有的軟體都是預先裝載的。車輛交付給客戶後，沒有不可接受的軟體問題，一般不會對車輛軟體進行更新；一旦發現軟體問題，要進行車輛召回。統一由售後服務人員逐一為有問題的車輛升級軟體。對售後部門來說，這是一筆非常龐大的開銷。據統計2015年美國汽車召回達到8400萬量，其中6.4%的召回與軟體有關。而空中升級技術（Over-the-Air Technology，OTA）可以解決上述問題。
OTA 技術，最早用於手機端，使用者可以透過雲端下載和更新軟體。帶有OTA的汽車也同樣可以透過雲端遠端進行車輛系統和功能的升級更新。特斯拉首先將OTA技術應用於汽車上。
OTA技術需要雲端和車內端系統同時部署，OTA架構如圖7。主要介紹整車控制器支撐OTA需要實現哪些功能。在經過授權情況下，軟體從雲端經 OTAClient 進入車內端。經過防火牆，分發到需要升級的控制器。
圖7 OTA系統方案
OTA 是一個複雜的過程，為了避免出現問題，下述問題在整車控制器設計時必須被考慮。
（1）需要支援程式回滾，在OTA升級失敗或新程式執行不穩定的情況下，使程式回滾到穩定執行版本；（2）需要考慮資訊保安，透過通訊加密、軟體包驗籤等方式保證軟體資訊保安；（3）需要對車輛配置進行識別並對OTA能否開始條件進行判斷；（4）需要考慮軟體OTA升級通訊速率問題，避免出現由於升級時間過長，影響使用者用車的情況。
3. 結語
綜上所述，為支撐汽車實現電動化、智慧化、網聯化和共享化，作為電動汽車核心零部件的整車控制器必須具備高計算效能、高通訊頻寬、高功能安全性、軟體持續更新的特點。本文首先介紹了在這些新特點下整車控制器與電子電氣架構之間的關係。然後，結合相關成熟技術，闡述新型整車控制器將配備車載乙太網、CANFD、多核晶片、雙核心控制和 OTA 關鍵技術。最後，對上述技術進行了介紹，分析了在整車控制器上應用涉及的相關特性。其中很多特性並不侷限於整車控制器，對其他控制器也有借鑑意義。
